Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign avanza en conocimientos fundamentales sobre el papel de la solvatación en la unión de iones y presenta una nueva vía para controlar electroquímicamente la selectividad de los iones. El estudio fue publicado en JACS Au .
El equipo, dirigido por el profesor de Ingeniería Química y Biomolecular Xiao Su y recientemente graduado de Ph.D. El estudiante Raylin Chen, se basa en su trabajo anterior explorando separaciones electroquímicas de iones, que ha revelado que un mecanismo crítico para la unión de iones es la solvatación.
Aquí, los investigadores se propusieron controlar la solvatación de un polímero y usarlo para unir diferentes iones específicamente para hacerlo a través de un proceso electroquímico a través de un enfoque único. Para lograrlo, crearon un sistema de copolímero que contiene N-isopropilacrilamida (NIPAM), que previamente se ha demostrado que es un material sensible a la temperatura, y le introdujeron unidades activas redox.
Debido a que el copolímero tiene dos unidades (una que es electroactiva y otra que es la unidad termosensible original), ahora hay dos vías disponibles para controlar la solvatación.
"Al ajustar el potencial, básicamente obligamos a NIPAM a tomar o liberar agua basándose en la electroquímica", dijo Su. "Entonces, en lugar de hacer una transición térmica en NIPAM, estamos haciendo una transición electroquímica en NIPAM".
El copolímero produjo películas de gel, que se convirtieron en su plataforma para separaciones de iones controladas por solvatación. Los investigadores pudieron realizar pruebas utilizando elipsometría in situ, un método que crearon y que les permite observar el espesor de la película que se hincha y se hincha en respuesta a la adición o liberación de agua basándose en la electroquímica.
En colaboración con un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge dirigido por Jim Browning, Hanyu Wang y Mat Doucet, emplearon una técnica avanzada llamada reflectometría de neutrones (NR).
"Básicamente, los neutrones te permiten ver cosas que normalmente no puedes ver usando técnicas estándar como los rayos X", dijo Su. "Los neutrones son muy sensibles al agua, por lo que pueden indicar cuánta agua hay en el contenido de un material."
La NR les permitió ver la solvatación, o cuánta agua se distribuye a través de la película, y demostró que, bajo potencial, la película se hincha y absorbe agua. Su dijo que los investigadores pudieron demostrar que con diferentes grados de absorción de agua, podían controlar la selectividad iónica.
Dado que su trabajo ofrece un sistema que puede activarse tanto por temperatura como por potencial electroquímico, sienta las bases para una plataforma de materiales que puede utilizarse en el futuro en diferentes escenarios sostenibles, por ejemplo, impulsados por energía renovable o por calor residual.
"Nuestro trabajo avanza en el área de las separaciones electroquímicas para el tratamiento de agua y la recuperación de recursos al proporcionar una comprensión más profunda de los mecanismos moleculares", dijo Su. "Para desarrollar tecnologías que sean más eficientes energéticamente y selectivas, es importante ejercer un control más preciso sobre los mecanismos de unión de iones. Esperamos que nuestro trabajo contribuya a este objetivo al dilucidar la importancia de la solvatación".
Más información: Raylin Chen et al, Copolímeros redox termoelectrosensibles para solvatación amplificada, control morfológico e interacciones iónicas sintonizables, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00486
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
